第1章 数据库基础知识,数据库技术是最新的数据管理技术，是计算机科学的一个重要分支。在计算机应用的三大领域（科学计算，数据处理和过程控制）中，数据处理占约其中的70%，而数据库技术就是作为一门数据处理技术发展起来的，是目前应用最广的技术之一，它已成为计算机信息系统的核心技术和重要基础。随着计算机应用的普及和深入，数据库技术变得越来越重要，而了解、掌握数据库系统的基本概念和基础技术是应用数据库技术的前提。,1.1数据库系统概述,在介绍数据库的基本概念之前，这里先介绍一些数据库最常用的术语和基本概念。学习数据库系统相关的理论术语，是学习和掌握数据库具体应用的基础和前提，掌握好这些基本概念对我们学习和使用数据库管理系统有着十分重要的意义。,1.1.1 数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统,一数据（Data） 数据是描述事物的符号记录，是数据库中存储的基本对象。,1.1.1 数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统,二数据库（DataBase，简称 DB） 数据库，顾名思义，就是存放数据的仓库。只不过这个仓库是在计算机存储设备上，而且数据是按一定的格式存放的。也就是说，数据库是具有统一的结构形式并存放于统一的存储介质内的多种应用数据的集成，并可被各个应用程序所共享。,三数据库管理系统（DataBase Management System， 简称 DBMS）,数据库管理系统：一种系统软件，负责数据库中的数据组织、数据操纵、数据维护、控制及保护和数据服务等，是数据库系统的核心。 它的主要功能包括以下几个方面： 1数据模式定义。 2数据存取的物理构建。 3数据操纵。 4数据的完整性、安全性定义与检查。 5数据库的并发控制与故障恢复。,三数据库管理系统（DataBase Management System， 简称 DBMS）,为完成其基本功能，数据库管理系统提供相应的数据语言，它们是： 1数据定义语言（Data Definition Language，简称DDL) 该语言负责数据的模式定义与数据的物理存取构建。 2数据操纵语言（Data Manipulation Language，简称DML) 该语言负责数据的操纵，包括查询及增删、改等操作。 3数据控制语言（Data Control Language，简称DCL） 该语言负责数据完整性、安全性的定义与检查以及并发控制、故障恢复等功能。,四数据库系统（DataBase System ，简称 DBS）,数据库系统是指安装和使用了数据库技术的计算机系统，一般由数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、应用系统和数据库管理员（DataBase Administrator ，简称 DBA）构成。,四数据库系统（DataBase System ，简称 DBS）,1.1.2 数据管理技术的产生和发展,随着计算机软件、硬件技术的发展，数据处理量的规模日益扩大，数据处理的应用需求越来越广泛，数据管理技术的发展也不断变迁，经历了从人工管理、文件系统、数据库技术3个主要发展阶段。数据库技术在当前网络应用环境下又有了新的进展。,一人工管理阶段（20世纪50年代）,1人工管理 20世纪50年代中期以前，计算机主要用于科学计算。 外部存储器只有纸带、卡片、磁带，无像磁盘这样的可以随机访问、直接存取的外部存储设备。软件的状况是没有操作系统，没有专门管理数据的软件，数据由计算或处理它的程序自行携带。数据管理任务，包括存储结构、存储方法、输入/输出方式等完全由程序设计者负责。 特点： 数据与程序不具有独立性，一组数据对应一组程序。 数据不能长期保存。 一个程序中的数据无法被其他程序使用。 程序之间存在大量重复数据，数据冗余大。,一人工管理阶段（20世纪50年代）,二文件系统阶段（20世纪60年代）,20世纪50年代后期到60年代中期。计算机不仅用于科学计算,而且还用于大量的数据处理。直接存储设备，高级语言，操作系统。 程序和数据有一定的独立性，数据文件可以长期保存。 数据和程序相互依赖。数据文件是为满足特定的业务，或某部门的专门需要而设计，服务于某一特定的应用程序。 同一数据项可能重复出现在多个文件中，数据冗余度大。 数据容易造成不一致。,二文件系统阶段（20世纪60年代）,三数据库系统阶段（20世纪60年代后期）,20世纪60年代后期。计算机用于管理的规模更加庞大，应用越来越广泛。同时多种应用、多种语言共享数据集合的要求越来越强烈。 标志：1968年IBM的IMS是一个层次模型数据库。1969年美国数据系统语言协会公布的DBTG报告，对研制开发网状数据库系统起到了推动作用。自1970年IBM公司的研究成果奠定了关系数据库理论基础。 数据库技术的主要目的： 有效地管理和存储大量的数据资源，包括：提高数据的共享性，使多个用户能够同时访问数据库中的数据；减少数据冗余，以提高数据的一致性和完整性；提高数据与程序的独立性，从而减少应用程序的开发和维护代价。,三数据库系统阶段（20世纪60年代后期）,1.1.3 数据库管理技术新进展,新型数据库系统带来了一个又一个数据库技术发展的新潮，但对于中、小数据库用户来说，由于很多高级的数据库系统的专业性要求太强，通用性受到一定的限制，在很大程度上推广使用范围也受到约束。而基于关系模型的关系数据库系统功能的扩展与改善，分布式数据库、面向对象数据库、数据仓库等数据库技术的出现，构成了新一代数据库系统的发展主流。,一分布式数据库系统,分布式数据库是数据库技术与网络技术相结合的产物。随着传统的数据库技术日趋成熟、计算机网络技术的飞速发展和应用范围的扩充，数据库应用已经普遍建立于计算机网络之上。这时集中式数据库系统表现出它的不足：数据按实际需要已在网络上分布存储，再采用集中式处理，势必造成通信开销大；应用程序集中在一台计算机上运行，一旦该计算机发生故障，则整个系统受到影响，可靠性不高；集中式处理引起系统的规模和配置都不够灵活，系统的可扩充性差。在这种形势下，集中式数据库的“集中计算”概念向“分布计算”概念发展。 分布式数据库系统有两种：一种是物理上分布的，但逻辑上却是集中的。另一种在物理上和逻辑上都是分布的，也就是所谓联邦式分布数据库系统。,二面向对象数据库系统,将面向对象技术与数据库技术结合产生出面向对象的数据库系统。这是数据库应用发展的迫切需要，也是面向对象技术和数据库技术发展的必然结果。 面向对象的数据库系统必须支持面向对象的数据模型，具有面向对象的特性。一个面向对象的数据模型是用面向对象的观点来描述现实世界实体（对象）的逻辑组织、对象之间的限制和联系等的模型。 另外，将面向对象技术应用到数据库应用开发工具中，使数据库应用开发工具能够支持面向对象的开发方法并提供相应的开发手段，这对于提高应用开发效率、增强应用系统界面的友好性、系统的可伸缩性、可扩充性等具有重要的意义。,三 数据仓库,随着客户机服务器技术的成熟和并行数据库的发展，信息处理技术的发展趋势是从大量的事务型数据库中抽取数据，并将其清理、转换为新的存储格式，即为决策目标把数据聚合在一种特殊的格式中。随着此过程的发展和完善，这种支持决策的、特殊的数据存储即被称为数据仓库（Data Warehouse）。数据仓库领域的著名学者WHInmon对数据仓库的定义是：数据仓库是支持管理决策过程的、面向主题的、集成的、稳定的、随时间变化的数据集合。,1.1.4 数据库系统的特点,一数据的集成性 二数据的高共享性与低冗余性 三数据独立性 四数据统一管理与控制,1.1.5数据库系统结构,考察数据库系统的结构可以有多种不同的层次或不同的角度。 从数据库管理系统的角度看，数据库系统通常采用三级模式结构，这是数据库管理系统内部的体系结构。 从数据库最终用户角度看，数据库系统的结构分为单用户结构、主从式结构、分布式结构、客户/服务器结构（包括二层、三层或多层结构）等。这是数据库系统外部的体系结构。,一数据库系统的三级模式结构,数据库系统的三级模式结构是指数据库系统是由外模式、模式和内模式三级构成。,1模式（Schema）,模式也称逻辑模式或概念模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图。它是数据库系统模式结构的中间层，不涉及数据的物理存储细节和硬件环境，与具体的应用程序，与所使用的应用开发工具及高级程序设计语言无关。 实际上模式是数据库数据在逻辑级上的视图。一个数据库只有一个模式。数据库模式以某一种数据模型为基础，统一综合地考虑了所有用户的需求，并将这些需求有机地结合成一个逻辑整体。,2外模式（External Schema）,外模式也称子模式或用户模式，它是数据库用户(包括应用程序员和最终用户)看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是数据库用户的数据视图。是与某一应用有关的数据的逻辑表示。 外模式通常是模式的子集。一个数据库可以有多个外模式。由于它是各个用户的数据视图，如果不同的用户在应用需求、看待数据的方式、对数据保密的要求等方面存在差异，则他们的外模式描述就是不同的。即使对模式中同一数据，在外模式中的结构、类型、长度、保密级别等都可以不同。另一方面，同一外模式也可以为某一用户的多个应用系统所使用，但一个应用程序只能使用一个外模式。 外模式是保证数据库安全性的一个有力措施。每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据，数据库中的其余数据对他们来说是不可见的。,3内模式（Internal Schema）,内模式也称存储模式，它是数据物理结构和存储结构的描述。是数据在数据库内部的表示方式。例如，记录的存储方式是顺序存储、按照B树结构存储还是按hash方法存储；索引按照什么方式组织；数据是否压缩存储，是否加密；数据的存储记录结构有何规定等。一个数据库只有一个内模式。 数据模式给出了数据库的数据框架结构，数据是数据库中的真正的实体，但这些数据必须按框架所描述的结构组织， 以概念模式为框架所组成的数据库叫概念数据库（Conceptual DataBase），以外模式为框架所组成的数据库叫用户数据库（Users Database），以内模式为框架所组成的数据库叫物理数据库（Physical Database）。这三种数据库中只有物理数据库是真实存在于计算机外存中，其他两种数据库并不真正存在于计算机中，而是通过两种映射由物理数据库映射而成。 模式的三个级别层次反映了模式的三个不同环境以及它们的不同要求， 其中内模式处于最底层，它反映了数据在计算机物理结构中的实际存储形式，概念模型处于中层，它反映了设计者的数据全局逻辑要求，而外模式处于最外层，它反映了用户对数据的要求。,二数据库的二级映像功能,数据库系统的三级模式是对数据的三个抽象级别。它把数据的具体组织留给数据库管理系统（DBMS）管理，使用户能逻辑地、抽象地处理数据，而不必关心数据在计算机中的具体表示方式与存储方式。而为了能够在内部实现这三个抽象层次的联系和转换，数据库系统在这三级模式之间提供了两层映像：外模式模式映像和模式内模式映像。正是这两层映射保证了数据库系统中的数据能够具有较高的逻辑独立性和物理独立性。,1外模式模式映像,模式描述的是数据的全局逻辑结构，外模式描述的是数据的局部逻辑结构。对应于同一个模式可以有任意多个外模式。对于每一个外模式，数据库系统都有一个外模式模式映像，它定义了该外模式与模式之间的对应关系。 当模式改变时，由数据库管理员对各个外模式模式映像作相应改变，也可以使外模式保持不变，因为应用程序是依据数据的外模式编写的，从而应用程序也不必修改，保证了数据与程序的逻辑独立性。,2模式内模式映像,模式内模式映像定义了数据全局逻辑结构与物理存储结构之间的对应关系。当数据库的存储结构改变时（例如换了另一个磁盘来存储该数据库），由数据库管理员对模式内模式映像作相应改变，可以使模式保持不变，从而保证了数据的物理独立性。,三数据库系统的组成,1 硬件环境